Οι ερευνητές στην Κίνα ανακοίνωσαν μια πρωτοποριακή τεχνική για τη μαζική παραγωγή πλακετών υλικών 2 διαστάσεων, ανοίγοντας τον δρόμο για την ανάπτυξη ηλεκτρονικών υψηλών επιδόσεων που θα αντικαταστήσουν το πυρίτιο. Καθώς τα τσιπ συνεχίζουν να εξελίσσονται, το μέγεθος των τρανζίστορ προσεγγίζει τα φυσικά όρια της τεχνολογίας που βασίζεται στο πυρίτιο. Η αναζήτηση για υλικά ημιαγωγών επόμενης γενιάς που θα προσφέρουν ανώτερες επιδόσεις έχει γίνει παγκόσμια προτεραιότητα.
Ανάμεσα στις υποψήφιες λύσεις, τα δισδιάστατα (2D) υλικά, όπως το δισουλφίδιο του μολυβδαινίου (MoS₂), με την ατομικά λεπτή τους δομή, θεωρούνται πολλά υποσχόμενοι διάδοχοι για την εποχή μετά τον Νόμο του Moore, χάρη στην υψηλή κινητικότητα φορέων και τη χαμηλή κατανάλωση ενέργειας. Ωστόσο, ένα από τα βασικά εμπόδια στην εμπορική τους αξιοποίηση ήταν η δυσκολία παραγωγής τους ομοιόμορφα σε μεγάλες επιφάνειες και με υψηλή ποιότητα.
Μια ομάδα υπό την καθοδήγηση της Wang Jinlan από το Southeast University στη Nanjing, σε συνεργασία με τους Wang Xinran και Li Taotao από το Nanjing University, ανακοίνωσε μια κρίσιμη ανακάλυψη τον περασμένο μήνα. Παρουσίασαν μια νέα τεχνική ανάπτυξης κρυστάλλων και δημιούργησαν επιτυχώς μια μονή κρυσταλλική πλάκα MoS₂ 6 ιντσών (15 εκατοστά), παρέχοντας μια οδό για τη μαζική παραγωγή δισδιάστατων ημιαγωγών.
Σε εργαστήρια, οι κρύσταλλοι MoS₂ συνήθως κατασκευάζονται μέσω χημικής εναπόθεσης ατμών (CVD), όπου αερώδες πρώτο υλικό εισάγεται σε έναν θάλαμο και προσκολλάται σε ένα υπόστρωμα για να σχηματίσει λεπτό υμένιο ή κρύσταλλο. Ωστόσο, τα δείγματα που παράγονται στο εργαστήριο είναι συχνά πολύ μικρά και ασυνεπή, καθιστώντας τα μη πρακτικά για παραγωγή μεγάλης κλίμακας. Για να αντιμετωπιστούν αυτά τα προβλήματα, οι επιστήμονες στράφηκαν στη μεταλλο-οργανική χημική εναπόθεση ατμών (MOCVD), η οποία χρησιμοποιεί μεταλλο-οργανικές πρόδρομες ουσίες και έχει επιτρέψει την ανάπτυξη υμενίων 8 ιντσών.
Παρόλα αυτά, οι κρύσταλλοι που παράγονται με αυτή τη μέθοδο συχνά περιέχουν πολυάριθμες ατέλειες, και η αποσύνθεση των μεταλλο-οργανικών ενώσεων εισάγει προσμίξεις άνθρακα που μολύνουν το κρυσταλλικό πλέγμα. Η ομάδα της Wang ανακάλυψε ότι ένα συγκεκριμένο βήμα στη διαδικασία κρυστάλλωσης λειτουργούσε ως κύριο “σημείο συμφόρησης” – απαιτώντας υψηλή εισροή ενέργειας που περιόριζε σοβαρά τόσο την ταχύτητα ανάπτυξης όσο και την τελική ποιότητα του κρυστάλλου.
Διαπίστωσαν ότι η εισαγωγή οξυγόνου στην αντίδραση μπορούσε να παρακάμψει αυτήν την απαιτητική διαδρομή, δημιουργώντας ουσιαστικά μια παράκαμψη που μείωσε σημαντικά το ενεργειακό φράγμα. Η ομάδα ονόμασε αυτή τη νέα μέθοδο “oxy-MOCVD”. Χρησιμοποιώντας την σε ένα υπόστρωμα από ζαφείρι, ανέπτυξαν ένα ομοιόμορφο, μονό κρυσταλλικό υμένιο MoS₂ 150mm (6 ιντσών).
Πειράματα έδειξαν ότι ο ρυθμός ανάπτυξης ξεπερνούσε αυτόν του συμβατικού MOCVD κατά περισσότερο από δύο τάξεις μεγέθους – πάνω από 100 φορές ταχύτερα – και τα προκύπτοντα υμένια ήταν απαλλαγμένα από προσμίξεις άνθρακα. Πρόσθετες ηλεκτροχημικές δοκιμές επιβεβαίωσαν τα πλεονεκτήματα αυτής της προσέγγισης. Συστοιχίες τρανζίστορ πεδίου πεδίου κατασκευασμένες από το μονό κρύσταλλο MoS₂ 6 ιντσών oxy-MOCVD παρουσίασαν μέγιστη κινητικότητα ηλεκτρονίων πάνω από 10 φορές υψηλότερη από αυτές που κατασκευάστηκαν με παραδοσιακό MOCVD.
Όπως αναφέρεται στην δημοσίευση της ομάδας, “αυτή η προσέγγιση γεφυρώνει το χάσμα μεταξύ της ποιότητας σε εργαστηριακή κλίμακα CVD και της επεκτασιμότητας σε βιομηχανική κλίμακα MOCVD”, επιλύοντας την κρίσιμη πρόκληση της μεγάλης επιφάνειας, ομοιόμορφης ανάπτυξης για τη μαζική παραγωγή δισδιάστατων ημιαγωγών. Η κορυφαία αυτή μελέτη δημοσιεύθηκε στο έγκριτο περιοδικό Science στις 29 Ιανουαρίου.
Σε μια συμπληρωματική πρόοδο που δημοσιεύθηκε στο Science μια εβδομάδα αργότερα, μια ομάδα από το Πανεπιστήμιο Επιστήμης και Τεχνολογίας του Πεκίνου ανέφερε μια νέα τεχνική που επιτρέπει την παρατήρηση σε πραγματικό χρόνο της ανάπτυξης κρυστάλλων MoS₂ κάτω από ένα μικροσκόπιο μετάδοσης ηλεκτρονίων (TEM). Αυτή η μέθοδος αναμένεται να συμβάλει περαιτέρω στη μείωση των ατελειών της επιφάνειας του κρυστάλλου.
Κινεζικές ερευνητικές ομάδες έχουν συμβάλει σημαντικά στην εξερεύνηση διαφόρων δισδιάστατων ημιαγωγών υλικών που είναι έτοιμα να αντικαταστήσουν το πυρίτιο. Το 2023, μια ομάδα με επικεφαλής τον Liu Kaihui από το Πανεπιστήμιο του Πεκίνου επέδειξε παραγωγή σε παρτίδες πλακετών MoS₂ με διαμέτρους από 2 έως 12 ίντσες χρησιμοποιώντας μια τεχνική στοίβαξης υποστρωμάτων. Τον Ιούλιο του περασμένου έτους, η ίδια ομάδα πρότεινε μια νέα στρατηγική για την ανάπτυξη πλακετών μονοφασικού σεληνιδίου ινδίου (In₂Se₃) 2 ιντσών. Επίσης, τον Ιούλιο, μια ομάδα υπό τους Zhou Peng και Bao Wenzhong από το Fudan University στη Σαγκάη ανέπτυξε τον πρώτο στον κόσμο επεξεργαστή αρχιτεκτονικής RISC-V 32-bit, ονομαζόμενο “Wuji”, βασισμένο αποκλειστικά σε δισδιάστατα ημιαγωγά υλικά. Ο επεξεργαστής εκτελεί με επιτυχία τυπικές εντολές 32-bit χρησιμοποιώντας 5.900 τρανζίστορ MoS₂.
